Operation of DEMO in comparison to ITER will be significantly more demanding, as various additional limitations of physical and technical nature have to be respected. In particular a set of extremely restrictive boundary conditions on divertor operation during and in between ELMs will have to be respected. It is of high importance to describe these limitations in order to consider them as early as possible in the ongoing development of the DEMO concept design. This paper extrapolates the existing physics basis on power and particle exhaust to DEMO.In phases between ELMs or with mitigated ELMs surface overheating and W sputtering pose challenging boundary conditions. For attached divertor conditions at 90% total radiation fraction a peak power density of about 15 MW m−2 convected or radiated to the outer divertor is estimated. As this clearly exceeds the tolerable limit, some degree of divertor detachment is regarded as essential for the operation of DEMO. A loss of detachment with a peak power density of more than 30 MW m−2 cannot be tolerated for more than a second before the divertor would suffer from a destructive event. The combination of the limitations on the peak power flux density and W sputtering rate necessitates divertor temperatures less than 4 eV.For uncontrolled ELMs sizes in the order of 100 MJ are estimated. Results on ELM broadening from JET suggest that in DEMO an energy density limit of 0.5 MJ m−2 per ELM is exceeded by a factor of about 8 for a large range of relative ELM sizes. This highlights the necessity of a reactor-relevant ELM control technique for DEMO, which is capable of reducing the maximum size of the energy loss per ELM to the divertor by more than an order of magnitude without a strong reduction of confinement.
抄録： DEMOの運転はITERと比較してかなり厳しいものになると考えられ、物理的・技術的な性質を持つ様々な追加の制約を尊重しなければならない。特に、ELM中およびELM間におけるダイバータ運転には、極めて厳しい境界条件が課される。これらの制約を、DEMO概念設計の継続的発展の中で可能な限り早期に考慮することが極めて重要である。本論文では、既存の物理基盤を動力および粒子排気に関してDEMOへ外挿する。ELM間の位相または緩和されたELMを伴う位相においては、表面の過熱およびWのスパッタリングが困難な境界条件を課す。付着ダイバータ条件で全放射割合が90%の場合、外側ダイバータへの対流および放射によるピーク出力密度は約15 MW m⁻²と推定される。この値は許容限界を明確に超えるため、DEMOの運転には何らかのダイバータ・デタッチメントが必須であると考えられる。デタッチメントが喪失した場合、ピーク出力密度が30 MW m⁻²を超えると、ダイバータは破壊的な事象に見舞われるまでに1秒以上耐えることはできない。ピーク出力フラックス密度とWスパッタリング率の組み合わせによる制約により、ダイバータ温度は4 eV未満に保たなければならない。制御されていないELMの場合、その規模は100 MJのオーダーと推定される。JETにおけるELM広がりに関する結果は、DEMOでは相対ELMサイズの広い範囲において、エネルギー密度限界0.5 MJ m⁻²が約8倍超過されることを示唆している。このことは、閉じ込めの大幅な低下を伴わずに、ダイバータへのELMあたりのエネルギー損失の最大規模を1桁以上低減できる、炉心関連条件でのELM制御技術の必要性を浮き彫りにしている。